Geraldine Hamilton 談人體器官晶片

Geraldine Hamilton: Body parts on a chip

構思新藥及較佳療法十分簡單,難的部分在於進行測試,這個過程或許會讓可行的新療法延遲數年上市。在這場通俗易懂的演講中,Geraldine Hamilton展示她的實驗室如何在晶片上建構器官和人體部位,構造簡單的晶片擁有所有測試新藥必備的元件-甚至可為特定對象量身打造治療方法。

講者介紹

Geraldine Hamilton

Geraldine Hamilton將器官和人體部位建構於晶片中-以測試新型、客製化療法。

Geraldine Hamilton的職業生涯跨足學術研究、創新生物科技及醫藥產業。她的研究著重於與藥物開發有關的人類體外模型開發及應用。她是某間初創生物科技公司(CellzDirect)的創始科學家之一,擔任科學技術副總裁及細胞產品主任,成功將學術研究技術移植及商業化,提供製藥工業肝細胞產品,用於安全評估及藥物代謝研究。 Hamilton獲得與葛蘭素史克公司合作的英國Hertfordshire大學細胞生物學/毒理學博士學位,隨後在北卡羅萊納大學進行博士後研究。她目前的研究興趣和以往經歷包括:器官

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Geraldine Hamilton 談人體器官晶片

  • 我們正面臨全球性健康挑戰:目前研發新藥的方式太過昂貴、耗時,且失敗機率往往大於成功機率;這根本行不通。這意味著亟需新療法的病人得不到治療,疾病也無從醫治。我們花的錢似乎越來越多,因此每十億美元的研發支出所獲得的核准上市新藥越來越少。更多的錢、更少的藥,嗯。

    這是怎麼回事?好,其中存在許多因素,但我認為主因之一是:進入人體臨床試驗之前,用來測試藥物是否有效或是否安全的工具無法滿足我們的要求;它們無法預測人體內發生的事。目前可使用的主要工具有兩種:細胞培養及動物試驗。

    我們先討論第一種-細胞培養。好,細胞在我們體內快樂地運作,我們將它們從原生環境中取出,放入其中一個培養皿中,期待它們能如常運作。結果呢?並非如此。它們不喜歡那樣的環境,因為這和體內環境大不相同。

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  • 動物試驗呢?好,動物確實能提供相當有用的訊息。它們使我們明白複雜有機體中發生的情形,我們藉此學習到更多生物學相關知識。然而,大多數情況下,動物模型無法預測使用特定藥物時發生於人體內的情況。

    因此我們需要更好的工具。我們需要人體細胞,但我們必須找到使它們快樂地在體外運作的方法。

    我們的身體是動態環境,持續地運轉,我們的細胞亦是如此。它們處於體內的動態環境,持續感受機械力,因此-如果我們想讓細胞快樂地在體外運作,我們就得成為細胞建築師。我們必須替細胞設計、建設、打造另一個家。

    這正是我們在Wyss研究所進行的工作,我們稱它為晶片上的器官,這裡恰好有一個。很美,不是嗎?卻令人不可思議。我手中是一個位於晶片上、正在呼吸的人類肺部。

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  • 它不僅美觀,也具有許多功用。我們將活細胞放入這個小晶片中,處於動態環境的細胞可與不同種類的細胞作用。許多人嘗試在實驗室中培養細胞,他們試過許多不同方法,他們甚至嘗試在實驗室中培養迷你器官;這並非我們嘗試的做法。我們只是嘗試在這個小晶片中建立最小的功能單位,呈現細胞於體內所經歷的生化反應、功能及機械張力。它是如何運作的?容我向各位展示。我們運用電腦晶片製造工業技術,打造與細胞及其生長環境相仿的結構。其中有三條液體通道,中間是多孔彈性膜,我們可在其上放入人體細胞,例如肺細胞。下層是微血管細胞,即血管中的細胞。然後我們可對晶片施加機械力,使膜伸展及收縮,因此細胞將受到與我們呼吸時相同的機械力,如同身處體內的情形。上方通道有空氣流過,然後使含有養分的液體流過血液通道。好,晶片很美,但我們能如何利用?我們可藉由這些小晶片獲得不可思議的功能,我來做個展示。例如我們可模擬感染過程,將細菌細胞加入這個肺模型中,然後加入人類白血球。白血球是人體抵抗細菌入侵的防線,當它們偵測到因感染引起的發炎反應時,它們將由血管進入肺部、吞噬細菌,現在你將在晶片上看見真實發生於人類肺部的過程。我們已標記這些白血球,因此你可看見它們流過。當它們偵測到感染時,就會開始黏附。它們開始黏附,然後試著從血管進入另一側的肺部。如你所見,我們能確實呈現單一白血球。它進行黏附、鑽入細胞層、通過孔洞、從膜的另一側穿出。就在這裡,它將吞噬標示為綠色的細菌。在這個小晶片上,你目睹人體對感染的最基本反應之一,這就是所謂的免疫反應。相當令人興奮。

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  • 現在我想分享這張圖片,不僅因為它很美,也因為它讓我們得知許多細胞在晶片上發生的情形。它告訴我們,這些來自肺部微小氣管的細胞,事實上擁有你印象中肺部所見的毛髮狀結構。這些構造稱為纖毛,它的作用是將黏液掃出肺部。是的,黏液,十分噁心,但事實上它十分重要。黏液會吸附顆粒、病毒、潛在過敏原,這些小纖毛會將黏液清出肺部。當它們受到香菸之類的物質破壞時,它們無法正常作用,無法將黏液清除,這將導致支氣管炎之類的疾病。纖毛及黏液清除作用也和某些嚴重疾病有關,例如囊狀纖維化。但現在,藉由這些晶片的功能,我們可開始探索潛在新療法。

    我們研究的不僅是肺晶片,我們也有腸晶片,就是這個。我們將人類腸細胞放入腸晶片中,它們持續蠕動,逐步傳導至所有細胞,我們可模擬許多你在人類腸道中所見的功能。現在我們可開始建立疾病模型,例如腸燥症-這是一種令許多人困擾不已的疾病;它令人虛弱,而且好的療法不多。

    目前我們實驗室正在研發一系列不同的器官晶片,然而這項技術的真正力量在於:我們能藉由液體流動使它們連結。液體於細胞間流動,因此我們可將多種不同晶片彼此連接,形成所謂的虛擬人體晶片,這讓我們興奮不已。我們並不打算在晶片上重建整個人體,我們的目標是重建足夠的細胞功能,使我們對體內發生的情形進行更佳預測。例如現在我們可開始探索使用噴劑型藥物時發生的情形。那些和我一樣有氣喘的人,當你使用吸入劑時,我們可探索藥物如何進入肺部、進入身體,如何影響-例如心臟等器官。它會改變心跳嗎?它有毒性嗎?它會被肝臟清除嗎?它會經由肝臟代謝嗎?它會經由腎臟排泄嗎?我們可開始研究身體對藥物的動態反應。

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  • 這將造成革命性改變。不僅對於製藥工業,也將影響許多不同產業,包括化妝品工業。我們有機會利用目前正於實驗室中研發的皮膚晶片,測試產品中的成分對皮膚是否安全,不需藉由動物試驗。我們可測試日常環境中所接觸的化學物質安全性,例如一般家庭清潔劑中的化學物質。我們也可將器官晶片應用於生物反恐或輻射暴露。我們可藉由它們對疾病進行深入瞭解,例如伊波拉病毒或其他致命疾病,例如SARS。

    器官晶片也可改變未來臨床試驗方式。目前來說,參與臨床試驗的對象多半屬於「一般型」:往往是中年人、往往是女性。你不會看見太多臨床試驗對象包含孩童,但每天都有孩童接受藥物治療。我們擁有的藥物安全資料僅來自成人;孩童並非成人,他們的反應或許不同於成人。還有其他因素,例如族群間的遺傳差異,可能導致危險族群面臨不良藥物反應的風險。想像一下,如果我們將不同族群的細胞置入晶片,製造族群晶片,這確實能改變臨床試驗方式。這就是進行這項研究的團隊和成員,其中包括工程師、細胞生物學家、臨床醫師,大家攜手合作。我們在Wyss研究所確實目睹了相當不可思議的成果,這確實是各門學科的集合。生物學影響設計、策畫及建造方式,確實令人興奮不已。

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  • 我們正著手建立重要的產業合作。例如我們與一家專精於大規模數位製造的公司合作,他們將協助我們製造-不僅一片,而是數百萬計的晶片,使我們能盡可能提供給多數研究人員,這就是這項科技的重要潛能。

    現在讓我展示一下我們的儀器。這是我們的工程師目前在實驗室中打造的原型機。這台儀器能提供所需的工程控制,使十個以上的器官晶片彼此連接。它也能進行其他重要工作。它擁有簡單的使用介面,因此像我這樣的細胞生物學家可進入實驗室,拿起晶片,放入卡匣中,如你所看見的原型機。將卡匣放入機器中,就像放CD一樣,就這樣。插電、啟動,輕而易舉。

    好,我們想像一下未來可能的情況。若我能將你或你的幹細胞置入晶片,這將成為替你量身打造的個人化晶片。

    在座每個人都是獨立個體,個體差異意味著我們對藥物的反應可能天差地遠,有時甚至無法預測。幾年前,我深受頭痛所苦,無法擺脫,我想:「好吧,試試不同的藥好了。」我吃了點Advil。十五分鐘後,我因嚴重氣喘發作被送進急診室。好,顯然這沒要了我的命。但不幸的是,有些負面藥物反應是致命的。

    因此我們該如何防範?好,我們可想像,某天將出現Geraldine的晶片、Danielle的晶片、你的晶片。

    個人化醫療,謝謝。

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